CC BY
14Сочетание методов трехмерного лазерного сканирования и цифровой фотограмметрической съемки для фиксации и обмера памятников архитектуры
К.т.н., доцент С.В. Тюрин,
ГОУ Санкт-Петербургский государственный университет;
исполнительный директор С.Г. Тихонов,
ООО «НПП «Фотограмметрия»
Задача совершенствования методов фиксации памятников архитектуры, на наш взгляд, всегда актуальна. Традиционная форма фиксации в виде альбома с фотографиями сохраняет только информацию о внешнем облике объекта. Она не может дать точную информацию о геометрических свойствах объекта, так как съемка ведется на неметрические и некалиброванные камеры. Существует и другая известная форма фиксации - чертежи. Они передают геометрию, но не передают полностью внешний вид объекта. Кроме того, создание чертежей трудоемко и дорогостояще. Появление новых геодезических приборов и развитие методов цифровой фотограмметрии позволяет предложить качественно новые формы фиксации.
На сегодняшний день наиболее совершенными приборами для сбора данных о геометрии объекта являются лазерные сканирующие системы (Рис.№1). Результатом работы лазерного сканера является облако точек (набор точек с трехмерными координатами). Благодаря высокой скорости работы лазерного сканера, отпадает необходимость в избирательной съёмке объекта. Используя лазерное сканирование, мы в сжатые сроки получаем наиболее полную и достоверную информацию о геометрии объекта на конкретный момент времени.
Многие сканеры наряду с координатами точек позволяют получать данные об интенсивности отраженного сигнала. Приведя интенсивность отраженного сигнала к оттенкам серого, можно воспринимать данные лазерного сканирования как черно-белую трехмерную дискретную модель (Рис. №2, 3, 4, 5). Чем с более высокой плотностью производится сканирование, тем подробнее и информативнее будет модель.
Рисунок 1. Трехмерный лазерный сканер Imager 5GG6 фирмы Z+F
Рисунок 2. Трехмерная дискретная модель южного Рисунок 3. Фрагмент модели южного фасада фасада Эрмитажа в цветах сканера Эрмитажа
Рисунок 4. Трехмерная дискретная модель Рисунок 5. Фрагмент модели интерьера зала
интерьера зала Китайского дворца в ГМЗ Китайского дворца в ГМЗ Ораниенбаум
Ораниенбаум
Однако представленное таким образом облако точек не даёт полного реалистичного представления об объекте, так как отсутствует информация о цвете. Это обстоятельство побудило нас разработать технологию совмещения результатов лазерного сканирования и цифровой фотограмметрической съёмки. Съемка выполняется на цифровую калиброванную камеру. Калибровка выполняется на тестовом полигоне нашего предприятия и заключается в определении параметров описывающих дисторсию объектива камеры. После исправления полученных снимков по строгим фотограмметрическим формулам мы можем пересчитать координаты точки скана из геодезической системы в систему координат снимка и таким образом определить цвет каждой точки. В результате совмещения данных лазерного сканирования и цифровой фотограмметрической съемки можно получить реалистичную цветную трехмерную дискретную модель (рис. 6, 7, 8).
Рисунок 6. Цветная трехмерная дискретная модель памятника Николаю I
Тюрин С.В., Тихонов С.Г. Сочетание методов трехмерного лазерного сканирования и цифровой фотограмметрической съемки для фиксации и обмера памятников архитектуры
Рисунок 7. Цветная трехмерная дискретная Рисунок 8. Фрагмент модели интерьера зала
модель интерьера зала Китайского дворца в ГМЗ Китайского дворца в ГМЗ Ораниенбаум
Ораниенбаум
Другой важной формой представления состояния объекта являются ортофотопланы. Ортофотоплан, хотя и выглядит как фотография, является не центральной, а ортогональной проекцией объекта на плоскость. Поэтому по геометрическим свойствам ортофотоплан ничем не отличается от чертежа, а по информативности значительно его превосходит. Кроме этого, по изобразительным свойствам ортофотоплан превосходит точечную модель. Это происходит благодаря тому, что если снимки сделать с большим разрешением, чем у скана, то разрешение ортофотоплана можно довести до разрешения снимка (рис. 9, 10).
Рисунок 9. Цветной ортофотоплан интерьера зала Китайского дворца в ГМЗ Ораниенбаум
Рисунок 10. Фрагмент цветного ортофотоплана интерьера зала Китайского дворца в ГМЗ Ораниенбаум
Для хранения ортофотопланов нами используется собственный растровый формат «БРО». Его преимуществом является возможность хранения для каждой точки изображения всех трех геодезических координат и возможность хранения и визуализации очень больших изображений. Можно сказать, что это изображение является «трехмерным» ортофотопланом. Причем эта «трехмерность» может быть визуализирована, т.е. мы можем преобразовать ортофотоплан в модель.
Для дальнейшего использования ортофотоплана в иных приложениях его можно сохранить в стандартном растровом формате с привязкой к геодезической системе координат (рис. 11). Такое изображение можно открыть в системе Аи1оСа^ масштабировать по координатной сетке и составить чертеж (рис. 12).
Исходя из изложенного, фиксация состояния памятников архитектуры может осуществляться в следующих формах.
• Чёрно-белые или цветные трёхмерные точечные модели: эта форма сохраняет всю метрическую
информацию об объекте. Имея такую модель, можно при необходимости получить любую другую
форму представления. Главный её недостаток - большой объём хранения информации, часто исчисляющийся терабайтами. Такая фиксация наилучшим образом подходит для объектов сложной формы (скульптуры, монументы, церкви).
• Чёрно-белые или цветные ортофотопланы в формате «БРО»: такая форма при некоторой потере
информации, не попавшей на ортофотоплан, обладает рядом преимуществ, о которых уже сказано
выше, но при этом объём хранения уменьшается более чем в три раза по сравнению с трёхмерной моделью. Информативность такого представления гораздо выше, чем у обычного ортофотоплана, а по изобразительным свойствам оно лучше, чем трёхмерная точечная модель. Ортофотопланы хорошо подходят для фиксации таких объектов как фасады, стены, плафоны и полы.
• Чёрно-белые или цветные ортофотопланы в стандартных растровых форматах: недостатком этой
формы является ограниченность метрической информации двумерным пространством, но при решении некоторых задач этого вполне достаточно. Объем же хранения уменьшается еще примерно в два раза.
Рисунок 11. Ортофотоплан фасада Морского собора в г. Кронштадт с нанесенной координатной сеткой
Из вышесказанного очевидно, что у каждой формы фиксации есть свои плюсы и минусы. Выбор той или иной формы должен зависеть от решаемой задачи. На наш взгляд, для задачи именно фиксации текущего состояния памятника (т.е. сохранения облика и геометрии объекта) на конкретный момент времени желательно хранить трехмерную точечную модель и/или цветные ортофотопланы в формате «БРО». Имея такой материал, можно в любой момент при необходимости составить обмерные чертежи.
Работа с продемонстрированными материалами осуществляется в разработанном нашим предприятием программном комплексе Боап!МАСЕР. Эту программу мы передаем нашим заказчикам вместе с результатами работы. Получив такой материал и инструмент для работы с ним, архитекторы самостоятельно могут брать необходимые размеры, делать сечения в нужных местах, составлять чертежи. Многие архитектурные предприятия Санкт-Петербурга успешно применяют данную технологию.
Если говорить о стоимости сканирования и изготовления ортофотопланов, то она зависит главным образом от требуемого разрешения конечного материала, т.е. от масштаба фиксации. В среднем стоимость цветного ортофотоплана в два (а иногда в три) раза ниже, чем чертежа в таком же масштабе. Поскольку ортофотопланы создаются автоматизированными средствами, а чертежи вручную, то чем сложнее объект, тем больше будет разница в цене.
Рисунок 12. Фрагмент чертежа фасада Морского собора в г. Кронштадт
В заключение считаем необходимым призвать органы надзора, специалистов в архитектуре и реставрации изучить возможность более широкого применения таких материалов для решения задач фиксации объектов культурного наследия. Мы со своей стороны вместе с коллегами из других компаний готовы принять участие в разработке технических требований, предъявляемых к фиксационным материалам.
Литература
1. Технические характеристики лазерной сканирующей системы IMAGER 5006 - Zoller+Frohlich Ltd [Электронный ресурс]. URL: http://www.zf-laser.ru/skaner5600.html (дата обращения: 29.10.2010).
2. Лобанов А.Н. Фотограмметрия: Учебник для вузов. - М. : Недра, 1984. - 552 с.
* Сергей Вячеславович Тюрин, Санкт-Петербург Тел. моб.: +7(921)952-98-63, эл. почта: turin@photogrammetria.ru
